KR20200132701A - A method for controlling defect density and texture in sputtered alxsc1-xn films - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 스퍼터 증착시키는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스칸듐 또는 이트륨 함유 질화알루미늄 필름과 같은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키기 위한 펄스형 DC 반응성 스퍼터링 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 첨가물 함유 질화알루미늄 필름 자체 및 이러한 필름을 포함하는 압전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for sputter deposition of an additive-containing aluminum nitride film. In particular, the present invention relates to a pulsed DC reactive sputtering method for depositing an aluminum nitride film containing an additive, such as an aluminum nitride film containing scandium or yttrium. The invention also relates to an additive-containing aluminum nitride film itself and a piezoelectric device comprising such a film.
압전 질화알루미늄(AlN) 필름은 벌크 탄성파(BAW) 필터와 같은 RF 레저네이터 장치에 응용된다. 첨가물 함유 질화알루미늄은 비도핑된 질화알루미늄 필름과 비교할 때 장치의 전기기계적 결합 효율(Keff)을 개선시키는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 알루미늄을 희생시키면서 스칸듐을 합금에 혼입시켜 비교적 높은 Keff를 갖는 Al100-xScxN 형태의 첨가물 함유 질화알루미늄을 형성할 수 있다. Al100-xScxN의 형태로 조성을 표현할 때, 100-x 및 x 값을 백분율로 표현하고, 백분율로서의 x는 화학량론적 화학 용어에서 0.01x와 동일할 수 있는 것으로 이해된다. 특히, c-축 배향된 Al100-xScxN 필름은 레저네이터 장치에 사용하기에 바람직한데 그 이유는 이러한 배향이 재료의 향상된 압전 특성을 제공하기 때문이다.Piezoelectric aluminum nitride (AlN) films are applied to RF resonator devices such as bulk acoustic wave (BAW) filters. Additive-containing aluminum nitride has been found to improve the device's electromechanical coupling efficiency (K eff ) when compared to undoped aluminum nitride films. For example, by incorporating scandium into an alloy at the expense of aluminum, aluminum nitride containing additives in the form of Al 100-x Sc x N with relatively high K eff can be formed. Al 100-x when the composition in the form of Sc x N represent, x as a percentage, representing the 100-x and the x value as a percentage is understood to be equal to 0.01x in stoichiometric chemical terms. In particular, c-axis oriented Al 100-x Sc x N films are preferred for use in resonator devices because this orientation provides improved piezoelectric properties of the material.
더 높은 품질의 RF 레저네이터 장치를 제조하기 위해 전기기계적 결합 계수를 증가시키려는 요구가 있다. 예를 들어, 첨가물 함유 질화알루미늄에 존재하는 첨가물 원소의 양을 증가시키면 전기기계적 결합 계수(Keff)를 증가시킬 수 있다. 그러나, 첨가물 함유 질화알루미늄에 존재하는 첨가물 원소의 양이 증가함에 따라, 결정학적 결함이 형성되는 경향이 더 크다. 결정학적 결함은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 품질 및 결정도를 감소시킨다. 이들 결정 결함은 압전적으로 불활성이며, 따라서 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 전기기계적 결합 계수에 악영향을 미친다. 즉, 결함은 거의 압전 반응을 갖지 않으므로, 필름의 단위 부피당 압전 결합을 감소시킬 수 있다. 도 1은 공지된 증착 방법을 사용하여 제조된 AlScN 필름 상에서 관찰된 결정 결함의 SEM 이미지를 도시한다. 도 2는 결정 결함(20)의 더 높은 배율의 SEM 이미지를 도시한다. 또한, 이들 결함은 에칭하기 어려울 수 있고, 후속 층의 성장에 유해한 영향을 미칠 수 있으며, 결과적으로 후속 처리 단계에 영향을 미칠 수 있다.There is a need to increase the electromechanical coupling factor in order to manufacture higher quality RF resonator devices. For example, increasing the amount of the additive element present in the additive-containing aluminum nitride can increase the electromechanical coupling coefficient (K eff ). However, as the amount of the additive element present in the additive-containing aluminum nitride increases, there is a greater tendency for crystallographic defects to be formed. Crystallographic defects reduce the quality and crystallinity of the additive-containing aluminum nitride film. These crystal defects are piezoelectrically inert and thus adversely affect the electromechanical coupling coefficient of the additive-containing aluminum nitride film. That is, since the defect hardly has a piezoelectric reaction, piezoelectric bonding per unit volume of the film can be reduced. 1 shows an SEM image of crystal defects observed on an AlScN film prepared using a known deposition method. 2 shows a higher magnification SEM image of the
따라서, 허용가능한 결함 밀도 및 결정도 (또는 텍스처)를 유지하면서, 첨가물 함유 질화알루미늄에 존재하는 첨가물 원소의 양을 증가시키는 방법을 개발하려는 요구가 있다. 통상, 고품질 장치를 제조하기 위해서는 100 μm2당 50개 결함 미만의 결함 사양이 바람직할 수 있다. 통상, 고품질 장치를 제조하기 위해 2.0 deg FWHM 미만의 텍스처 사양이 바람직할 수 있다.Accordingly, there is a need to develop a method of increasing the amount of additive elements present in additive-containing aluminum nitride while maintaining acceptable defect density and crystallinity (or texture). Typically, a defect specification of less than 50 defects per 100 μm 2 may be desirable to manufacture high quality devices. Typically, a texture specification of less than 2.0 deg FWHM may be desirable to produce high quality devices.
EP3153603은 펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 특히 첨가물 농도가 약 8 At%보다 큰 경우 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서의 결함 수준을 억제하기 위해 추가의 방법이 개발될 필요가 있다. 따라서, 결함을 억제하고 고품질 RF 레저네이터 장치의 상업적 제조에 허용되는 수준으로 필름 텍스처를 개선하면서, (특히 약 8 At% 초과로) 첨가물 원소 농도를 추가로 증가시키고자 하는 요구가 있다. 궁극적인 상업화를 위한 추가 조항은 상기 방법이 경제적으로 실행 가능한 방식으로 수행될 수 있어야 한다는 것이다.EP3153603 discloses a method of depositing an additive-containing aluminum nitride film by pulsed DC reactive sputtering. However, additional methods need to be developed to suppress the level of defects in the additive-containing aluminum nitride film, especially when the additive concentration is greater than about 8 At%. Accordingly, there is a need to further increase the additive element concentration (especially above about 8 At%) while suppressing defects and improving the film texture to a level acceptable for commercial manufacture of high quality RF resonator devices. An additional provision for ultimate commercialization is that the method must be able to be carried out in an economically viable manner.
본 발명은, 그 실시양태 중 적어도 일부에서, 전술한 문제점, 욕구 및 요구 중 적어도 일부를 해결하고자 한다. 본 발명은, 그 실시양태 중 적어도 일부에서, 낮은 결함 밀도, 높은 전기기계적 결합 계수(Keff)를 가지며 레저네이터 장치에 사용하기에 적합한 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키는 방법을 제공한다.The present invention, in at least some of its embodiments, seeks to address at least some of the aforementioned problems, desires and needs. The present invention, in at least some of its embodiments, provides a method of depositing an additive-containing aluminum nitride film having a low defect density, high electromechanical coupling coefficient (K eff ) and suitable for use in resonator devices.
본 발명의 제1 양태에 따르면, Sc 또는 Y로부터 선택된 첨가물 원소를 함유하는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 스퍼터 증착시키는 방법이 있으며, 상기 방법은According to a first aspect of the present invention, there is a method of sputter-depositing an additive-containing aluminum nitride film containing an additive element selected from Sc or Y, the method comprising:
펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 챔버 내에 배치된 기판 상에 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제1 층을 증착시키는 단계; 및Depositing a first layer of an additive-containing aluminum nitride film on a substrate disposed in the chamber by pulsed DC reactive sputtering; And
펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 제1 층 상에 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제2 층을 증착시키는 단계로서, 제2 층은 제1 층과 동일한 조성을 갖는 것인 단계Depositing a second layer of an additive-containing aluminum nitride film on the first layer by pulsed DC reactive sputtering, wherein the second layer has the same composition as the first layer.
를 포함하고, 여기서Including, where
제1 층을 증착시키는 단계는 기체 또는 기체 혼합물을 유량(sccm)으로 챔버에 도입하는 단계를 포함하고, 유량(sccm)의 87-100%는 질소 기체의 흐름이며;Depositing the first layer comprises introducing a gas or gas mixture into the chamber at a flow rate (sccm), wherein 87-100% of the flow rate (sccm) is a flow of nitrogen gas;
제2 층을 증착시키는 단계는 기체 혼합물을 유량(sccm)으로 챔버에 도입하는 단계를 포함하고, 기체 혼합물은 질소 기체 및 불활성 기체를 포함하며,The step of depositing the second layer comprises introducing a gas mixture into the chamber at a flow rate (sccm), the gas mixture comprising nitrogen gas and an inert gas,
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm) 중의 질소 기체의 백분율은 제2 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm) 중의 질소 기체의 백분율보다 크다.The percentage of nitrogen gas in the flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer is greater than the percentage of nitrogen gas in the flow rate (sccm) used during the step of depositing the second layer.
제1 층은 시드 층일 수 있다. 제1 층은 예를 들어 c-축 배향으로 제2 층의 방향성 결정 성장을 위한 핵생성 부위를 제공할 수 있다. 높은 질소 농후 분위기(예를 들어, 87 내지 100%)에서 제1 층을 증착시키는 것은, 허용가능한 수준의 결정 결함, 결정도 및 텍스처를 유지하면서 고농도의 첨가물 원소가 질화알루미늄 재료에 혼입될 수 있도록 하는 것으로 밝혀졌다.The first layer may be a seed layer. The first layer may provide a nucleation site for directional crystal growth of the second layer, for example in a c-axis orientation. Deposition of the first layer in a high nitrogen enriched atmosphere (e.g., 87-100%) allows high concentrations of additive elements to be incorporated into the aluminum nitride material while maintaining acceptable levels of crystal defects, crystallinity and texture. Turned out to be.
첨가물 원소는 스칸듐일 수 있다.The additive element may be scandium.
첨가물 원소는 0.5 At% 내지 40 At%의 범위, 임의로 8 At% 내지 40 At%의 범위, 임의로 10 At% 내지 35 At%의 범위, 임의로 15 At% 내지 30 At%의 범위, 또는 임의로 20 At% 내지 25 At%의 범위의 양으로 존재할 수 있다. 첨가물 원소는 > 8 At%, > 10 At%, > 15 At%, > 20 At%, > 25 At%의 양으로 존재할 수 있다. 첨가물 원소는 40 At% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 첨가물 원소는 상기 제공된 상한 및 하한의 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 본 발명의 방법은, 허용가능한 수준의 결함 밀도, 결정도 및 텍스처를 유지하면서 (예를 들어, 8 At% 초과의) 고농도의 첨가물 원소를 갖는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키는 데 특히 효과적일 수 있다.The additive element is in the range of 0.5 At% to 40 At%, optionally in the range of 8 At% to 40 At%, optionally in the range of 10 At% to 35 At%, optionally in the range of 15 At% to 30 At%, or optionally 20 At % To 25 At%. The additive element may be present in an amount of> 8 At%,> 10 At%,> 15 At%,> 20 At%,> 25 At%. The additive element may be present in an amount of 40 At% or less. The additive element may be present in any combination of the upper and lower limits provided above. The method of the present invention can be particularly effective for depositing additive-containing aluminum nitride films with high concentrations of additive elements (e.g., greater than 8 At%) while maintaining acceptable levels of defect density, crystallinity and texture. have.
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)의 88% 이상, 89% 이상, 90% 이상, 91% 이상, 92% 이상, 93% 이상, 94% 이상, 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 98% 이상, 99% 이상 또는 100%는 질소 기체의 흐름일 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)의 90-100%, 94-100%, 또는 임의로 98-100%는 질소 기체의 흐름일 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)은 질소 기체의 흐름 및 아르곤과 같은 불활성 기체의 흐름을 포함하거나 이로 이루어질 수 있다.88% or more, 89% or more, 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more of the flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer , 97% or more, 98% or more, 99% or more, or 100% may be a flow of nitrogen gas. 90-100%, 94-100%, or optionally 98-100% of the flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer may be a flow of nitrogen gas. The flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer may include or consist of a flow of nitrogen gas and a flow of an inert gas such as argon.
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)은 본질적으로 질소 기체의 흐름으로만 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 제1 층을 증착시키는 단계 동안 유량(sccm)의 약 100%는 질소 기체의 흐름이다. 즉, 제1 층을 증착시키는 단계 동안의 유량(sccm)은 바람직하게는 오직 질소 기체의 흐름이다. 제1 층을 증착시키는 단계에서 사용된 질소 기체의 유량(sccm)은 50-500 sccm, 임의로 60-250 sccm, 임의로 100-200 sccm, 또는 약 150 sccm일 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계에서 사용된 질소 기체의 유량(sccm)은 50 sccm, 60 sccm, 100 sccm 또는 150 sccm보다 클 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계에서 사용된 질소 기체의 유량(sccm)은 500 sccm, 250 sccm, 200 sccm 또는 150 sccm보다 작을 수 있다.The flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer can consist essentially of only a flow of nitrogen gas. Preferably, about 100% of the flow rate (sccm) during the step of depositing the first layer is a flow of nitrogen gas. That is, the flow rate (sccm) during the step of depositing the first layer is preferably only the flow of nitrogen gas. The flow rate (sccm) of nitrogen gas used in the step of depositing the first layer may be 50-500 sccm, optionally 60-250 sccm, optionally 100-200 sccm, or about 150 sccm. The flow rate (sccm) of nitrogen gas used in the step of depositing the first layer may be greater than 50 sccm, 60 sccm, 100 sccm, or 150 sccm. The flow rate (sccm) of nitrogen gas used in the step of depositing the first layer may be less than 500 sccm, 250 sccm, 200 sccm, or 150 sccm.
제1 층의 증착 동안 질소 농후 또는 질소 단독 분위기를 사용함으로써, 생성된 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 결함 밀도, 결정도 및 텍스처가 공지된 방법에 비해 상당히 개선될 수 있다. 이러한 효과는 특히 질소 단독 분위기에서 관찰된다. 임의의 이론 또는 추측에 얽매이지 않고, 질소 농후 또는 질소 단독 분위기에서만 제1 층을 증착시키는 것은 2가지 유리한 효과를 갖는 것으로 여겨진다. 첫째, 제1 층에 혼입되는 아르곤 원자의 수가 감소된다. 이는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 통해 결정학적 결함이 전파될 수 있는 잠재적인 원자 결함 공급원을 감소시킨다. 둘째, 표적 물질이 아르곤보다는 질소에 의해서만 스퍼터링되기 때문에 표적의 스퍼터링 효율이 감소되는 것으로 여겨진다. 따라서, 더 적은 수의 알루미늄 (또는 첨가물 원소, 예를 들어 Sc 또는 Y) 원자가 표적으로부터 스퍼터링된다. 이는 증착 챔버에서 반응성 질소 종의 비율을 증가시켜 반응성 질소 종이 기판 상에 보다 유리하게 증착될 수 있는 것으로 여겨진다. 이는 원자점 결함이 적은 기판 상에 더 많은 질소 농후 제1 층(예를 들어, 초기 시드 층)을 유도한다. 결과적으로 결정학적 결함이 자라는 핵생성 지점이 적어 결함 형성을 억제한다. 또한, c-축 질소 말단 AlScN이 잘 배향된 텍스처 모드에서 성장하는 데 이용가능한 더 많은 수의 핵생성 부위가 있다. c-축 Al1-xScxN 성장은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 전체적으로, 이는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서 결함의 수 및 밀도를 감소시키고, 필름의 전기기계적 결합 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 허용가능한 수준의 결함 밀도 및 텍스처를 유지하면서, 필름에 더 높은 농도의 첨가물 원소가 존재할 수 있도록 한다.By using a nitrogen enriched or nitrogen-only atmosphere during the deposition of the first layer, the defect density, crystallinity and texture of the resulting additive-containing aluminum nitride film can be significantly improved compared to known methods. This effect is especially observed in nitrogen alone atmosphere. Without wishing to be bound by any theory or speculation, it is believed that depositing the first layer only in a nitrogen rich or nitrogen alone atmosphere has two advantageous effects. First, the number of argon atoms incorporated in the first layer is reduced. This reduces the potential source of atomic defects through which crystallographic defects can propagate through the additive-containing aluminum nitride film. Second, it is believed that the sputtering efficiency of the target is reduced because the target material is sputtered only by nitrogen rather than argon. Thus, fewer aluminum (or additive elements such as Sc or Y) atoms are sputtered from the target. It is believed that this increases the proportion of reactive nitrogen species in the deposition chamber so that reactive nitrogen species can be more advantageously deposited on the substrate. This leads to a more nitrogen-rich first layer (eg, an initial seed layer) on the substrate with fewer atomic point defects. As a result, there are few nucleation points where crystallographic defects grow, thus suppressing defect formation. In addition, there are a greater number of nucleation sites available for the c-axis nitrogen-terminated AlScN to grow in a well oriented texture mode. The c-axis Al 1-x Sc x N growth can improve the piezoelectric properties of the additive-containing aluminum nitride film. Overall, this can reduce the number and density of defects in the additive-containing aluminum nitride film, and improve the electromechanical bonding efficiency of the film. This allows higher concentrations of additive elements to be present in the film while maintaining an acceptable level of defect density and texture.
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 기체 또는 기체 혼합물은 질소 기체 및 불활성 기체를 포함할 수 있다. 불활성 기체는 희가스일 수 있다. 희가스는 원소 주기율표 18족의 기체인 것으로 이해된다. 불활성 기체는 크세논, 크립톤 또는 바람직하게는 아르곤일 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 불활성 기체의 백분율이 공지된 종래 기술에서 사용된 수준으로 증가시킴에 따라, 본 발명의 유리한 효과는 관찰되지 않는다.The gas or gas mixture used during the step of depositing the first layer may include nitrogen gas and an inert gas. The inert gas may be a noble gas. Noble gases are understood to be gases of Group 18 of the Periodic Table of the Elements. The inert gas may be xenon, krypton or preferably argon. As the percentage of the inert gas used during the step of depositing the first layer increases to the level used in the known prior art, no advantageous effect of the present invention is observed.
제2 층을 증착시키는 단계에서 사용된 기체 혼합물의 유량은 약 83% 질소 기체, 및 약 17% 불활성 기체, 예컨대 아르곤을 포함할 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계에서 사용된 기체 혼합물 중 질소의 유량(sccm)은 50-250 sccm의 범위; 임의로 75-150 sccm의 범위; 또는 임의로 약 83 sccm일 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계에서 사용된 아르곤과 같은 불활성 기체의 유량(sccm)은 8-50 sccm의 범위; 임의로 10-25 sccm의 범위; 또는 약 17 sccm일 수 있다. 펄스형 DC 반응성 스퍼터링 공정 동안 불활성 기체는 종과 화학적으로 반응하지 않는다. 불활성 기체는 스퍼터 기체일 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 기체 혼합물의 불활성 기체는 크세논, 크립톤 또는 바람직하게는 아르곤과 같은 희가스일 수 있다. 희가스는 원소 주기율표 18족의 기체인 것으로 이해된다.The flow rate of the gas mixture used in the step of depositing the second layer may include about 83% nitrogen gas, and about 17% inert gas, such as argon. The flow rate (sccm) of nitrogen in the gas mixture used in the step of depositing the second layer is in the range of 50-250 sccm; Optionally in the range of 75-150 sccm; Or optionally about 83 sccm. The flow rate (sccm) of an inert gas such as argon used in the step of depositing the second layer is in the range of 8-50 sccm; Optionally in the range of 10-25 sccm; Or about 17 sccm. During the pulsed DC reactive sputtering process, the inert gas does not chemically react with the species. The inert gas may be a sputter gas. The inert gas of the gas mixture used during the step of depositing the second layer may be a noble gas such as xenon, krypton or preferably argon. Noble gases are understood to be gases of Group 18 of the Periodic Table of the Elements.
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 기체 또는 기체 혼합물 중 질소 기체의 비율은 통상 제2 층을 증착시키는 단계에서 사용된 기체 혼합물 중 질소 기체의 비율보다 높다. 임의의 이론 또는 추측에 얽매이지 않고, 제2 층의 증착을 위해 더 낮은 비율의 질소 기체를 포함하는 기체 혼합물을 사용하면 스퍼터링 효율을 향상시킬 수 있고, 따라서 제2 층의 증착 동안 증착률을 증가시킬 수 있다.The ratio of nitrogen gas in the gas or gas mixture used during the step of depositing the first layer is usually higher than the ratio of nitrogen gas in the gas mixture used in the step of depositing the second layer. Without being bound by any theory or speculation, the use of a gas mixture containing a lower proportion of nitrogen gas for the deposition of the second layer can improve the sputtering efficiency and thus increase the deposition rate during the deposition of the second layer. I can make it.
챔버는 제1 층을 증착시키는 단계 동안 2-6 mTorr, 임의로 약 4 mTorr의 압력을 가질 수 있다.The chamber may have a pressure of 2-6 mTorr, optionally about 4 mTorr, during the step of depositing the first layer.
챔버는 제2 층을 증착시키는 단계 동안 1.5-7.5 mTorr, 임의로 약 3 mTorr의 압력을 가질 수 있다.The chamber may have a pressure of 1.5-7.5 mTorr, optionally about 3 mTorr, during the step of depositing the second layer.
제1 층은 70 nm 미만, 임의로 60 nm 미만, 임의로 50 nm 미만, 임의로 30 nm 미만, 임의로 25 nm 미만, 임의로 20 nm 미만, 또는 임의로 약 17 nm의 두께를 가질 수 있다.The first layer can have a thickness of less than 70 nm, optionally less than 60 nm, optionally less than 50 nm, optionally less than 30 nm, optionally less than 25 nm, optionally less than 20 nm, or optionally about 17 nm.
제2 층은 제1 층보다 적어도 6배 더 두꺼운 두께, 임의로 적어도 20배 더 두꺼운 두께, 임의로 적어도 25배 더 두꺼운 두께, 임의로 적어도 50배 더 두꺼운 두께, 또는 임의로 약 60배 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.The second layer can have a thickness that is at least 6 times thicker than the first layer, optionally at least 20 times thicker, optionally at least 25 times thicker, optionally at least 50 times thicker, or optionally about 60 times thicker than the first layer. have.
첨가물 함유 질화알루미늄 필름은 두께가 0.3 μm 이상; 0.6 μm 이상; 또는 약 1 μm일 수 있다.The additive-containing aluminum nitride film has a thickness of 0.3 μm or more; 0.6 μm or more; Or about 1 μm.
첨가물 함유 질화알루미늄 필름은 2 μm 이하의 두께를 가질 수 있다.The additive-containing aluminum nitride film may have a thickness of 2 μm or less.
제1 층을 증착시키는 단계는 기판에 전기 바이어스 전력을 인가하여 수행될 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 기판에 인가된 전기 바이어스 전력은 RF 바이어스 전력일 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 기판에 인가되는 전기 바이어스 전력은 200 W보다 크거나 250 W보다 클 수 있다. 제1 층을 증착시키는 단계 동안 기판에 인가되는 전기 바이어스 전력은 350 W보다 작거나 300 W보다 작을 수 있다. 기판에 (예를 들어, 200 W 초과하는) 비교적 높은 바이어스 전력을 인가하면 증착된 첨가물 함유 질화알루미늄 필름이 압축 응력을 가질 수 있다. 본 발명자들은 압축 응력을 갖는 제1 층(예를 들어, 시드 층)이 통상 결함 밀도가 감소되고 텍스처 및 결정도가 개선된 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 생성한다는 것을 발견하였다.Depositing the first layer may be performed by applying an electric bias power to the substrate. The electrical bias power applied to the substrate during the step of depositing the first layer may be RF bias power. The electrical bias power applied to the substrate during the step of depositing the first layer may be greater than 200 W or greater than 250 W. The electrical bias power applied to the substrate during the step of depositing the first layer may be less than 350 W or less than 300 W. Applying a relatively high bias power (eg, greater than 200 W) to the substrate can cause the deposited additive-containing aluminum nitride film to have compressive stress. The inventors have found that a first layer having a compressive stress (eg, a seed layer) usually results in an additive-containing aluminum nitride film with a reduced defect density and improved texture and crystallinity.
제2 층을 증착시키는 단계는 기판에 전기 바이어스 전력을 인가하지 않고 수행되거나 제1 층을 증착시키는 단계 동안 인가된 전기 바이어스 전력보다 낮은 전기 바이어스 전력을 기판에 인가하여 수행될 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계 동안 기판에 인가된 전기 바이어스 전력은 RF 바이어스 전력일 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계 동안 인가된 전기 바이어스 전력은 전체 필름 응력(즉, 제1 및 제2 층의 응력)이 약 0이 되도록 선택될 수 있다. 제2 층을 증착시키는 단계 동안 기판에 인가되는 전기 바이어스 전력은 100 W 미만일 수 있다.The step of depositing the second layer may be performed without applying an electrical bias power to the substrate, or may be performed by applying an electrical bias power lower than the electrical bias power applied during the step of depositing the first layer to the substrate. The electrical bias power applied to the substrate during the step of depositing the second layer may be RF bias power. The electrical bias power applied during the step of depositing the second layer may be selected such that the total film stress (ie, the stress of the first and second layers) is about zero. The electrical bias power applied to the substrate during the step of depositing the second layer may be less than 100 W.
펄스형 DC 반응성 스퍼터링은 마그네트론을 사용하여 수행될 수 있다.Pulsed DC reactive sputtering can be performed using a magnetron.
펄스형 DC 반응성 스퍼터링은 통상 스퍼터 증착 동안 스퍼터 표적에 DC 전력의 펄스를 인가하는 단계를 포함한다. 펄스형 DC 반응성 스퍼터링은 단일 표적을 사용하여 수행될 수 있다. 표적은 알루미늄 및 첨가물 원소로부터 형성된 복합 표적일 수 있다. 복수의 표적을 사용하는 것이 가능하지만 경제적으로 덜 매력적이다.Pulsed DC reactive sputtering typically involves applying a pulse of DC power to a sputter target during sputter deposition. Pulsed DC reactive sputtering can be performed using a single target. The target may be a composite target formed from aluminum and additive elements. It is possible to use multiple targets, but it is less attractive economically.
상기 방법은 제1 층이 기판의 에칭된 표면 상에 증착되도록 제1 층을 증착시키는 단계 전에 기판의 표면을 에칭하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.The method may further include etching the surface of the substrate prior to depositing the first layer such that the first layer is deposited on the etched surface of the substrate.
기판은 규소 기판일 수 있다.The substrate may be a silicon substrate.
기판은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제1 층이 증착되는 몰리브덴 층과 같은 금속 층을 포함할 수 있다. 상기 방법은 기판 전구체 상에 금속 층을 증착시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 몰리브덴 층과 같은 금속 층이 기판 전구체 상에 증착될 때, 제1 층은 금속 층 상에 증착된다. 금속 층을 증착시키는 단계는 기판을 에칭하는 단계 전에 수행될 수 있다.The substrate may comprise a metal layer, such as a molybdenum layer, onto which a first layer of an additive-containing aluminum nitride film is deposited. The method may further include depositing a metal layer on the substrate precursor. When a metal layer, such as a molybdenum layer, is deposited on the substrate precursor, the first layer is deposited on the metal layer. The step of depositing the metal layer may be performed prior to the step of etching the substrate.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 제1 양태에 따른 방법에 의해 제조된 첨가물 함유 질화알루미늄 필름이 존재한다.According to a second aspect of the present invention, there is an aluminum nitride film containing an additive produced by the method according to the first aspect.
본 발명의 제3 양태에 따르면, Sc 또는 Y로부터 선택된 첨가물 원소를 8 At% 내지 40 At%, 임의로 10 At% 내지 35 At%, 임의로 15 At% 내지 30 At%, 또는 임의로 20 At% 내지 25 At% 범위의 양으로 함유하고; 100 μm2당 50개 결함 미만의 결함 밀도를 갖는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름이 존재한다. 첨가물 원소는 > 8 At%, > 10 At%, > 15 At%, > 20 At%, > 25 At%의 양으로 존재할 수 있다. 첨가물 원소는 40 At% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 첨가물 원소는 상기 제공된 상한 및 하한의 임의의 조합으로 존재할 수 있다.According to a third aspect of the invention, the additive element selected from Sc or Y is from 8 At% to 40 At%, optionally 10 At% to 35 At%, optionally 15 At% to 30 At%, or optionally 20 At% to 25 Contained in an amount in the range of At%; There are additive-containing aluminum nitride films with a defect density of less than 50 defects per 100 μm 2 . The additive element may be present in an amount of> 8 At%,> 10 At%,> 15 At%,> 20 At%,> 25 At%. The additive element may be present in an amount of 40 At% or less. The additive element may be present in any combination of the upper and lower limits provided above.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 본 발명의 제2 또는 제3 양태 중 하나에 따른 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 포함하는 압전 장치가 존재한다.According to a fourth aspect of the present invention, there is a piezoelectric device comprising an additive-containing aluminum nitride film according to one of the second or third aspect of the present invention.
압전 장치는 벌크 탄성파(BAW) 장치일 수 있다.The piezoelectric device may be a bulk acoustic wave (BAW) device.
압전 장치는 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있고, 첨가물 함유 질화알루미늄 필름이 제1 및 제2 전극 사이에 배치된다.The piezoelectric device may include first and second electrodes, and an additive-containing aluminum nitride film is disposed between the first and second electrodes.
본 발명은 위에서 설명되었지만, 전술한 특징, 또는 다음의 설명, 도면 및 청구범위의 임의의 조합으로 확장된다. 예를 들어, 본 발명의 한 양태와 관련하여 개시된 임의의 특징은 본 발명의 임의의 다른 양태의 임의의 특징과 조합될 수 있다.While the invention has been described above, it extends to the foregoing features, or to any combination of the following description, drawings, and claims. For example, any feature disclosed in connection with one aspect of the invention can be combined with any feature of any other aspect of the invention.
본 발명의 실시양태는 이제 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 Al80Sc20N 결함을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 2는 Al80Sc20N 결함을 도시하는 SEM 이미지이다.
도 3은 Al80Sc20N 결함의 TEM 단면도이다.
도 4는 점 결함을 포함하는 AlScN 필름의 제1 층의 예시이다.
도 5는 점 결함이 없는 AlScN 필름의 제1 층의 예시이다.
도 6은 인장 응력을 갖는 17 nm 두께의 제1 층을 포함하는 Al80Sc20N 필름의 SEM 이미지이다.
도 7은 압축 응력을 갖는 17 nm 두께의 제1 층을 포함하는 Al80Sc20N 필름의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 방법을 예시하는 흐름도이다.Embodiments of the present invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings.
1 is an SEM image showing an Al 80 Sc 20 N defect.
2 is an SEM image showing an Al 80 Sc 20 N defect.
3 is a TEM cross-sectional view of an Al 80 Sc 20 N defect.
4 is an illustration of a first layer of an AlScN film containing point defects.
5 is an illustration of a first layer of an AlScN film without point defects.
6 is an SEM image of an Al 80 Sc 20 N film including a 17 nm thick first layer having tensile stress.
7 is a SEM image of an Al 80 Sc 20 N film including a 17 nm thick first layer having compressive stress.
8 is a flow diagram illustrating the method of the present invention.
본 발명자들은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 스퍼터 증착시키기 위한 유리한 공정을 발견했다. 이 방법은 결정도 및 텍스처를 개선하고 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서 결정 결함을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 첨가물 함유 질화알루미늄 필름은 스칸듐(Sc) 또는 이트륨(Y)과 같은 첨가물 원소를 함유한다. 하기 제시된 결과는 질화알루미늄스칸듐(Al1-xScxN)과 관련이 있다. 그러나, 이 방법은 일반적으로 질화알루미늄이트륨(Al1-xYxN)에 적용 가능하다.The inventors have found an advantageous process for sputter deposition of additive-containing aluminum nitride films. This method can help improve crystallinity and texture and reduce crystal defects in additive-containing aluminum nitride films. The additive-containing aluminum nitride film contains an additive element such as scandium (Sc) or yttrium (Y). The results presented below are related to scandium aluminum nitride (Al 1-x Sc x N). However, this method is generally applicable to yttrium aluminum nitride (Al 1-x Y x N).
필름은 펄스형 DC 반응성 스퍼터링과 같은 반응성 스퍼터링에 의해 증착된다. 본 발명에서 사용될 수 있거나 또는 사용에 용이하게 적용될 수 있는 장치에 관한 일반적인 세부 사항은 출원인의 유럽 특허 출원 EP2871259 및 EP3153603에 기재되어 있으며, 이의 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.The film is deposited by reactive sputtering, such as pulsed DC reactive sputtering. General details regarding devices that can be used in the present invention or that can be easily applied to use are described in the applicant's European patent applications EP2871259 and EP3153603, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
장치는 챔버에 배치된 기판을 포함한다. 장치는 표적을 추가로 포함한다. 표적은 알루미늄 및 첨가물 원소로부터 형성된 복합 표적이다. 표적의 조성은 스퍼터 증착된 필름에 함유된 첨가물 원소의 양을 결정할 수 있다. 복수의 표적을 사용하는 것이 가능하지만 경제적으로 덜 매력적이다. 펄스형 DC 스퍼터링은 증착 공정 동안 표적에 DC 전력의 펄스를 인가하는 것을 포함한다.The apparatus includes a substrate disposed in the chamber. The device further comprises a target. The target is a composite target formed from aluminum and additive elements. The composition of the target can determine the amount of additive elements contained in the sputter deposited film. It is possible to use multiple targets, but it is less attractive economically. Pulsed DC sputtering involves applying a pulse of DC power to a target during the deposition process.
제1 단계에서, 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제1 층은 챔버에 배치된 기판 상에 표적으로부터 스퍼터 증착된다. 제1 층은 펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 증착된다. 제1 층은 시드 층일 수 있다. 제1 층의 증착 동안, 질소, 및 임의로 아르곤과 같은 불활성 기체를 포함하는 기체 또는 기체 혼합물이 챔버로 도입된다. 제1 단계 동안 질소 기체의 유량(sccm)은 제1 단계 동안 총 기체 유량(sccm)의 87-100%이다. 임의로, 제1 단계 동안 질소 기체의 유량(sccm)은 제1 단계 동안 총 기체 유량(sccm)의 90-100%, 95-100%, 98-100% 또는 약 100%이다. 바람직하게는, 기체 또는 기체 혼합물은 질소 기체만으로 이루어진다. 제1 층은 통상 약 70 nm 미만, 60 nm 미만, 50 nm 미만, 바람직하게는 20 nm 미만의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 제1 층은 약 17 nm의 두께를 갖는다.In a first step, a first layer of an additive-containing aluminum nitride film is sputter deposited from a target on a substrate disposed in the chamber. The first layer is deposited by pulsed DC reactive sputtering. The first layer may be a seed layer. During the deposition of the first layer, a gas or gas mixture comprising nitrogen and optionally an inert gas such as argon is introduced into the chamber. The flow rate (sccm) of nitrogen gas during the first stage is 87-100% of the total gas flow rate (sccm) during the first stage. Optionally, the flow rate (sccm) of nitrogen gas during the first stage is 90-100%, 95-100%, 98-100% or about 100% of the total gas flow rate (sccm) during the first stage. Preferably, the gas or gas mixture consists of nitrogen gas only. The first layer typically has a thickness of less than about 70 nm, less than 60 nm, less than 50 nm, preferably less than 20 nm. In some embodiments, the first layer has a thickness of about 17 nm.
제2 단계에서, 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제2 층은 이어서 제1 층 상에, 예컨대 초기 시드 층 상에 증착된다. 제2 층의 증착은 벌크 증착일 수 있다. 제2 층은 펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 증착된다. 제2 층의 증착 동안, 질소 및 아르곤과 같은 불활성 기체를 포함하는 제2 기체 혼합물이 챔버로 도입된다. 크세논 및 크립톤과 같은 다른 불활성 기체가 고려될 수 있지만, 비용이 높기 때문에 덜 바람직하다. 제2 기체 혼합물 중 질소 기체의 비율은 통상 제1 기체 또는 기체 혼합물 중 질소 기체의 비율보다 적다. 일 실시양태에서, 제2 층의 증착 동안 질소 기체의 유량은 83 sccm이고, 아르곤 기체의 유량은 17 sccm이다. 즉, 제2 단계 동안 질소 기체의 유량은 총 유량(sccm)의 약 83%이다.In the second step, a second layer of the additive-containing aluminum nitride film is then deposited on the first layer, for example on the initial seed layer. The deposition of the second layer may be bulk deposition. The second layer is deposited by pulsed DC reactive sputtering. During the deposition of the second layer, a second gas mixture comprising an inert gas such as nitrogen and argon is introduced into the chamber. Other inert gases such as xenon and krypton may be considered, but are less preferred because of their high cost. The ratio of nitrogen gas in the second gas mixture is usually less than the ratio of nitrogen gas in the first gas or gas mixture. In one embodiment, the flow rate of nitrogen gas is 83 sccm and the flow rate of argon gas is 17 sccm during deposition of the second layer. That is, the flow rate of nitrogen gas during the second step is about 83% of the total flow rate (sccm).
규소 기판에서의 실험에 대한 전형적인 증착 파라미터는 표 1에 제시되어 있다.Typical deposition parameters for experiments on silicon substrates are presented in Table 1.
표 1: 2-단계 공정에 의한 AlScN 증착을 위한 통상의 공정 파라미터.Table 1: Typical process parameters for AlScN deposition by a two-step process.
상기 기재된 방법을 사용하여 단일 표적을 사용하여 1 μm Al80Sc20N 필름을 규소 기판 상에 스퍼터 증착시켰다. 표 2는 제1 층(즉, 초기 시드 층)의 증착 동안 질소 기체의 비율을 변화시키는 것이 증착된 1 μm Al80Sc20N 필름에서 (100 μm2당) 결함 밀도에 어떻게 영향을 미치는지를 나타낸다. 6,000배의 배율에서 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 사용하여 결함 밀도를 결정하였다. 표 3은 제1 층(즉, 초기 시드 층)의 증착 동안 질소 기체의 비율을 변화시키는 것이 증착된 Al80Sc20N 필름의 텍스처에 어떻게 영향을 미치는지를 보여준다. X선 회절(XRD) 반치폭(FWHM) 측정을 사용하여 기판의 중앙, 중간 반경 및 가장자리에서 샘플의 텍스처 (또는 결정도)를 결정하였다. 더 낮은 FWHM 값은 더 많은 결정질 필름에 해당한다. 증착 공정 전에, 규소 기판에 350℃에서 2분 탈기 단계를 수행하였다. 표 2 및 3의 마지막 열에 열거된 예는 스퍼터 증착 공정 전에 350℃에서 7.5 nm 낮은 바이어스 에칭 단계를 기판에 실시하는 추가 단계를 포함하였다. SPTS Technologies Limited에서 시판되는 SE-LTX 모듈은 전처리 탈기 및 에칭 단계를 수행하는 데 적합하다. (표 2 및 3에 나타낸) 1 μm Al80Sc20N 필름은 17 nm 두께의 압축성 제1 층(예를 들어, 초기 시드 층) 및 983 nm의 제2 층(예를 들어, 벌크 층)을 포함한다. 제1 층은 플래턴(platen) 상에 300 W RF 바이어스를 사용하여 제조되었다. 제2 층은 필름 전체에 걸쳐 제로 응력을 달성하기 위해 선택된 RF 바이어스 전력을 사용하여 제조되었다. 즉, 제1 및 제2 층 모두에 걸쳐 제로 응력이 발생한다. 통상, 제2 단계 동안 플래턴에 인가된 바이어스는 제1 단계 동안 플래턴에 인가된 바이어스보다 작다. 제2 층의 증착 동안, 질소 기체의 유량은 83 sccm이고, 아르곤 기체의 유량은 17 sccm이었다.A 1 μm Al 80 Sc 20 N film was sputter deposited on a silicon substrate using a single target using the method described above. Table 2 shows how varying the proportion of nitrogen gas during the deposition of the first layer (i.e. the initial seed layer) affects the defect density (per 100 μm 2 ) in the deposited 1 μm Al 80 Sc 20 N film. . Defect density was determined using scanning electron microscopy (SEM) images at 6,000 times magnification. Table 3 shows how changing the proportion of nitrogen gas during the deposition of the first layer (ie, the initial seed layer) affects the texture of the deposited Al 80 Sc 20 N film. X-ray diffraction (XRD) half-width (FWHM) measurements were used to determine the texture (or crystallinity) of the sample at the center, middle radius, and edge of the substrate. Lower FWHM values correspond to more crystalline films. Prior to the deposition process, the silicon substrate was subjected to a 2 minute degassing step at 350°C. Examples listed in the last column of Tables 2 and 3 included the additional step of subjecting the substrate to a 7.5 nm low bias etch step at 350° C. prior to the sputter deposition process. The SE-LTX module, available from SPTS Technologies Limited, is suitable for performing pre-treatment degassing and etching steps. The 1 μm Al 80 Sc 20 N film (shown in Tables 2 and 3) has a 17 nm thick compressible first layer (e.g., an initial seed layer) and a 983 nm second layer (e.g., a bulk layer). Include. The first layer was fabricated using a 300 W RF bias on a platen. The second layer was fabricated using an RF bias power selected to achieve zero stress across the film. That is, zero stress occurs across both the first and second layers. Typically, the bias applied to the platen during the second step is less than the bias applied to the platen during the first step. During the deposition of the second layer, the flow rate of nitrogen gas was 83 sccm and the flow rate of argon gas was 17 sccm.
표 2: 상이한 백분율의 질소 흐름에서 Si 기판 상의 1 μm Al80Sc20N 필름의 결함 밀도.Table 2: Defect density of 1 μm Al 80 Sc 20 N film on Si substrate at different percentages of nitrogen flow.
표 3: 상이한 백분율의 질소 흐름에서 Si 기판 상의 1 μm Al80Sc20N 필름의 XRD FWHM 측정.Table 3: XRD FWHM measurements of 1 μm Al 80 Sc 20 N films on Si substrates at different percentage nitrogen flows.
표 2는 질소 기체의 비율(즉, 흐름 백분율)이 증가함에 따라 기판의 가장자리, 중간 반경 및 중앙에서의 결함 밀도가 감소함을 나타낸다. 표 3은 제1 (시드) 단계 동안 질소 기체의 비율이 증가함에 따라, 텍스처(0002) FWHM 값이 기판의 가장자리, 중간 반경 및 중앙에서 감소하는 경향이 있음을 나타낸다. 이러한 효과는 제1 (시드) 층의 증착 동안 사용되는 기체가 질소 기체 단독으로 이루어질 때 가장 두드러진다.Table 2 shows that as the proportion of nitrogen gas (ie, flow percentage) increases, the density of defects at the edge, middle radius and center of the substrate decreases. Table 3 shows that as the proportion of nitrogen gas increases during the first (seed) step, the texture (0002) FWHM values tend to decrease at the edge, middle radius and center of the substrate. This effect is most pronounced when the gas used during the deposition of the first (seed) layer consists of nitrogen gas alone.
임의의 이론 또는 추측에 얽매이지 않고, 결정학적 결함은 원자 오정렬, 위치 불량 또는 간극(vacancy)과 같은 점 결함에 의해 유발되는 것으로 여겨진다. AlScN 필름에서 결정 결함의 대부분은 AlScN 필름이 성장하는 기판 재료의 표면에서 비롯된 것으로 여겨진다. 생성된 결함은 필름을 통해 전파되고 필름 표면에서 관찰될 수 있다. 도 3은 Al80Sc20N 필름에서 결정 결함(30)의 TEM 단면을 도시한다. 결함(30)은 필름을 통해 전파된다. 이러한 결함은 첨가물 원소(예를 들어, Sc 또는 Y)가 약 8 At% 초과의 원자 농도인 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서 특히 두드러진다. AlScN 필름의 경우, AlScN 그레인은 질소 또는 알루미늄 (스칸듐) 말단일 수 있는 것으로 여겨진다. 임의의 이론 또는 추측에 얽매이지 않으면서, 질소 층이 초기 원자 층으로서 증착되면, 다른 유형의 원자가 또한 질소의 초기 원자 층에 혼입될 때 결정학적 결함이 형성될 것으로 여겨진다. 도 4는 질소의 초기 원자 층에 혼입되어 점 결함을 형성하는 Al/Sc 원자(40)를 도시한다. 이 결함은 AlScN 필름 전체에 전파될 수 있다. 또한 임의의 이론 또는 추측에 얽매이지 않고, 제1 층의 증착 동안 질소 기체 함량의 비율을 증가시키는 것은 점 결함이 실질적으로 없는 시드 층의 증착에 유리한 것으로 여겨진다. 예를 들어, 초기 원자 층(50)은 (도 5에 도시된 바와 같이) 실질적으로 질소 단독으로 이루어질 수 있다.Without being bound by any theory or speculation, it is believed that crystallographic defects are caused by point defects such as atomic misalignment, misalignment, or vacancy. It is believed that most of the crystal defects in the AlScN film originate from the surface of the substrate material on which the AlScN film is grown. The resulting defects propagate through the film and can be observed on the film surface. 3 shows a TEM cross section of a
제1 층(즉, 초기 시드 층)의 증착 동안 질소 농후 또는 질소 단독 분위기를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서 결함의 수 및 밀도를 감소시키고, 필름의 전기기계적 결합 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 허용가능한 수준의 결함 밀도 및 텍스처를 유지하면서, 필름에 더 높은 농도의 첨가물 원소가 존재할 수 있도록 한다. 고농도(예를 들어, > 8 At%)의 첨가물 원소를 갖는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름에서 허용가능한 수준의 결함 밀도 및 텍스처를 유지하는 것은 제1 단계의 증착에서 질소 기체의 비율이 약 83-87% 미만인 경우와 같은 공지된 방법을 사용하여 쉽게 달성할 수 없다.It is preferred to use a nitrogen rich or nitrogen alone atmosphere during the deposition of the first layer (ie, the initial seed layer). This can reduce the number and density of defects in the additive-containing aluminum nitride film, and improve the electromechanical bonding efficiency of the film. This allows higher concentrations of additive elements to be present in the film while maintaining an acceptable level of defect density and texture. Maintaining an acceptable level of defect density and texture in additive-containing aluminum nitride films with high concentrations (e.g.,> 8 At%) of additive elements results in a nitrogen gas fraction of about 83-87% in the first stage of deposition. It cannot be easily achieved using known methods such as the case of less than.
표 2 및 표 3에 도시된 Al80Sc20N 필름은 압축성 초기 시드 층을 증착시킨 후 벌크 증착으로 Al80Sc20N 필름의 전체 응력이 0이 되도록 제조하였다. 증착된 필름의 응력은 기판 바이어스 전력을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 표 4는 제1 층이 인장 또는 압축 응력을 갖는 경우 1 μm Al80Sc20N 필름의 XRD FWHM 측정이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 표 4의 1 μm Al80Sc20N 필름은 제1 층의 증착 동안 질소 기체 단독을 챔버에 도입함으로써 형성되었다. 제1 층은 17 nm의 두께를 갖고, 제2 (벌크) 층은 983 nm의 두께를 가졌다. 도 6 및 7은 각각 인장 및 압축성 제1 층으로 증착된 필름에 대한 Al80Sc20N 표면의 SEM 이미지를 도시한다. 압축성 제1 층으로 증착된 Al80Sc20N 필름은 인장 제1 층으로 증착된 Al80Sc20N 필름과 비교하여 더 낮은 결함 밀도 및 개선된 텍스쳐를 나타낸다.The Al 80 Sc 20 N films shown in Tables 2 and 3 were prepared so that the total stress of the Al 80 Sc 20 N film was zero by bulk deposition after depositing a compressible initial seed layer. The stress of the deposited film can be controlled by changing the substrate bias power. Table 4 shows how the XRD FWHM measurements of 1 μm Al 80 Sc 20 N films change when the first layer has tensile or compressive stress. The 1 μm Al 80 Sc 20 N film in Table 4 was formed by introducing nitrogen gas alone into the chamber during the deposition of the first layer. The first layer had a thickness of 17 nm and the second (bulk) layer had a thickness of 983 nm. 6 and 7 show SEM images of the Al 80 Sc 20 N surface for films deposited with tensile and compressible first layers, respectively. The Al 80 Sc 20 N film deposited with the compressible first layer exhibits lower defect density and improved texture compared to the Al 80 Sc 20 N film deposited with the tensile first layer.
표 4: 제1 층에서 다양한 응력을 갖는 Si 기판 상의 1 μm Al80Sc20N 필름의 FWHM 텍스처.Table 4: FWHM texture of 1 μm Al 80 Sc 20 N film on Si substrate with various stresses in the first layer.
기판 재료 및 표면 상태의 효과를 조사하였다. 단일 복합 표적을 사용하여 1 μm Al80Sc20N 필름을 몰리브덴(Mo) 코팅된 기판 상에 증착시켰다. Mo 대신 코팅 재료로서 다른 금속 재료가 사용될 수 있다. Mo 코팅된 기판은 도 8에 도시된 방법에 따라 제조되었다. 기판 전구체는 초기에 탈기되었다(단계 802). Mo 코팅은 Mo 증착 모듈에서 탈기된 기판 전구체 상에 증착되었다(단계 806). 낮은 바이어스 에칭 처리를 사용하여 Mo 코팅을 에칭하였다(단계 808). 이어서, 2-단계 AlScN 증착 공정이 수행되도록 기판을 스퍼터 증착 모듈로 옮겼다(단계 810 및 812). 2-단계 AlScN 증착 공정은 i) 질소 농후 또는 질소 단독 분위기에서 기판의 Mo 코팅된 표면 상에 제1 층을 증착시키는 단계(단계 810), 및 이어서 ii) 제1 층 상에 제2 층을 증착(즉, 벌크 증착)시키는 단계(단계 812)를 포함한다. 단계 810 및 812에서 사용된 공정 조건은 본 발명의 다른 실시양태와 관련하여 전술한 것과 동일하거나 상이할 수 있다.The effects of the substrate material and surface condition were investigated. A 1 μm Al 80 Sc 20 N film was deposited on a molybdenum (Mo) coated substrate using a single composite target. Instead of Mo, other metal materials may be used as the coating material. The Mo-coated substrate was prepared according to the method shown in FIG. 8. The substrate precursor was initially degassed (step 802). The Mo coating was deposited on the degassed substrate precursor in the Mo deposition module (step 806). The Mo coating was etched using a low bias etch treatment (step 808). The substrate was then transferred to a sputter deposition module so that a two-step AlScN deposition process was performed (
표 5 및 6은 도 8의 방법을 사용하여 몰리브덴(Mo) 코팅된 기판 상에 1 μm Al80Sc20N 필름을 증착시킬 때 제1 층의 증착 동안 질소 기체의 비율을 변화시킴으로써 결함 밀도 및 텍스처가 어떻게 변하는지를 나타낸다.Tables 5 and 6 show defect density and texture by changing the ratio of nitrogen gas during deposition of the first layer when depositing a 1 μm Al 80 Sc 20 N film on a molybdenum (Mo) coated substrate using the method of FIG. 8. Indicates how is changed.
표 5: 상이한 백분율의 질소 흐름에서 Mo 기판 상의 1 μm Al80Sc20N 필름의 결함 밀도.Table 5: Defect density of 1 μm Al 80 Sc 20 N films on Mo substrates at different percentages of nitrogen flow.
표 6: 상이한 백분율의 질소 흐름에서 Si 기판 상의 1 μm Al80Sc20N 필름의 FWHM 텍스처.Table 6: FWHM texture of 1 μm Al 80 Sc 20 N film on Si substrate at different percentage nitrogen flows.
표 5 및 6은 Mo 코팅된 기판 상의 1 μm Al80Sc20N에 대한 결함 밀도가 감소될 수 있고, 제1 층의 증착 동안 기체 분위기에서 질소 기체 단독을 사용함으로써 텍스처가 개선될 수 있음을 나타낸다. 또한, AlScN을 증착시키기 전에 온화한 에칭에 의해 기판의 표면을 컨디셔닝하면 결정학적 결함의 형성을 억제하는 데 도움이 될 수 있고 생성된 AlScN 필름의 텍스처 및 결정도를 향상시킬 수 있다.Tables 5 and 6 show that the defect density for 1 μm Al 80 Sc 20 N on the Mo coated substrate can be reduced, and the texture can be improved by using nitrogen gas alone in a gaseous atmosphere during the deposition of the first layer. . In addition, conditioning the surface of the substrate by gentle etching prior to depositing AlScN can help suppress the formation of crystallographic defects and can improve the texture and crystallinity of the resulting AlScN film.
결함 밀도, 결정도 및 텍스처에 대한 제1 층의 두께의 영향을 조사하였다. 제1 층의 증착 동안 질소 기체 단독을 사용하여 Mo 코팅된 기판 상에 1 μm Al80Sc20N 필름을 제조하였다. Mo 기판은 도 8의 방법에 따라 제조되었다. 제1 층의 두께를 변화시키고, XRD FWHM 측정을 사용하여 생성된 필름의 텍스처를 측정하였다. 결과는 표 7에 제시되어 있다. 더 얇은 제1 층은 보다 텍스처화된 (즉, 텍스처가 개선된) Al80Sc20N 필름을 제조하였다. 이 영향은 기판의 가장자리에서 더 유의적이다. 제1 층의 적합한 두께는 통상 70 nm 미만, 60 nm 미만, 50 nm 미만, 30 nm 미만, 25 nm 미만, 또는 20 nm 미만이다.The influence of the thickness of the first layer on the defect density, crystallinity and texture was investigated. During the deposition of the first layer, a 1 μm Al 80 Sc 20 N film was prepared on the Mo-coated substrate using nitrogen gas alone. The Mo substrate was prepared according to the method of FIG. 8. The thickness of the first layer was varied and the texture of the resulting film was measured using XRD FWHM measurement. The results are presented in Table 7. The thinner first layer produced a more textured (ie, improved texture) Al 80 Sc 20 N film. This effect is more significant at the edge of the substrate. A suitable thickness of the first layer is usually less than 70 nm, less than 60 nm, less than 50 nm, less than 30 nm, less than 25 nm, or less than 20 nm.
표 7: Al80Sc20N 텍스처에 대한 제1 층 두께의 영향.Table 7: Influence of first layer thickness on Al 80 Sc 20 N texture.
특히, 질소 농후 또는 질소 단독 분위기에서 얇은 제1 층을 증착시키는 조합은 결함 밀도를 현저하게 감소시키고 결정도 및 텍스처를 개선시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 유익한 효과는 고농도의 첨가물 원소 농도에서도 관찰된다. 따라서, 본 발명의 방법은, 허용가능한 수준의 결함 밀도, 결정도 및 텍스처를 유지하면서 고농도의 첨가물 원소를 갖는 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키는 데 특히 적합하다.In particular, it has been found that the combination of depositing a thin first layer in a nitrogen-rich or nitrogen-only atmosphere significantly reduces defect density and improves crystallinity and texture. This beneficial effect is also observed at high concentrations of additive elements. Accordingly, the method of the present invention is particularly suitable for depositing additive-containing aluminum nitride films having a high concentration of additive elements while maintaining acceptable levels of defect density, crystallinity and texture.
전술한 방법은 다양한 농도의 첨가물 원소를 갖는 Al1-xScxN과 같은 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 증착시키는데 사용될 수 있다. 기본 규소 기판 상에 1 μm Al1-xScxN 필름을 0 At%, 9 At%, 15 At% 및 20 At%로 증착시켰다. 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 단일 복합 표적으로부터 증착시켰다. 증착된 필름 내의 첨가물 재료의 양은 표적의 조성에 의해 결정되었다. 제1 층은 기판에 인가된 200-350 W의 RF 바이어스 전력으로 증착되었다. 제1 층의 증착 동안 질소 기체 단독이 챔버에 도입되었다. 즉, 제1 층을 증착시키는 단계 동안의 유량은 질소 기체의 흐름으로 이루어졌다. 제1 층의 두께는 약 20 nm였다. 증착된 필름의 가장자리 및 중앙에서의 텍스처를 측정하고, 결과를 표 8에 나타낸다.The above-described method can be used to deposit aluminum nitride films containing additives such as Al 1-x Sc x N having various concentrations of additive elements. A 1 μm Al 1-x Sc x N film was deposited on the base silicon substrate at 0 At%, 9 At%, 15 At% and 20 At%. An additive-containing aluminum nitride film was deposited from a single composite target. The amount of additive material in the deposited film was determined by the composition of the target. The first layer was deposited with an RF bias power of 200-350 W applied to the substrate. Nitrogen gas alone was introduced into the chamber during the deposition of the first layer. That is, the flow rate during the step of depositing the first layer was made of the flow of nitrogen gas. The thickness of the first layer was about 20 nm. The texture at the edge and center of the deposited film was measured, and the results are shown in Table 8.
표 8: 다양한 시드 조성을 갖는 Si 기판 상의 1 μm Al1-xScxN 필름의 FWHM 텍스처Table 8: FWHM texture of 1 μm Al 1-x Sc x N film on Si substrate with various seed composition
본 발명자들은 유량(sccm)의 100%가 질소 기체(N2)의 흐름인 약 20 nm의 제1 층(예를 들어, 초기 시드 층)을 증착시키는 단계가 다양한 첨가물 원소 농도에서 증착된 필름의 텍스처를 개선시켰다는 것을 밝혀냈다. 모든 첨가물 원소 농도에 대한 개선이 관찰되었다. 이는 공지된 종래 방법이 허용할 수 없는 수준의 결함 및 불량한 텍스처를 야기하는 높은 첨가물 원소 농도에 특히 유리하다. 본 방법은 8 At%, 9 At%, 10 At%, 15 At%, 20 At% 및 25 At% 초과의 첨가물 원소 농도에 대해 허용가능한 수준의 텍스처 및 결함 밀도가 달성되도록 한다.The present inventors believe that the step of depositing a first layer (e.g., an initial seed layer) of about 20 nm in which 100% of the flow rate (sccm) is a flow of nitrogen gas (N 2 ) is It turns out that it has improved the texture. Improvements were observed for all additive element concentrations. This is particularly advantageous for high concentrations of additive elements, which lead to unacceptable levels of defects and poor texture by known conventional methods. This method allows acceptable levels of texture and defect density to be achieved for additive element concentrations greater than 8 At%, 9 At%, 10 At%, 15 At%, 20 At% and 25 At%.
Claims (23)
펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 챔버 내에 배치된 기판 상에 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제1 층을 증착시키는 단계; 및
펄스형 DC 반응성 스퍼터링에 의해 제1 층 상에 첨가물 함유 질화알루미늄 필름의 제2 층을 증착시키는 단계로서, 제2 층은 제1 층과 동일한 조성을 갖는 것인 단계
를 포함하고, 여기서,
제1 층을 증착시키는 단계는 기체 또는 기체 혼합물을 유량(sccm)으로 챔버에 도입하는 단계를 포함하고, 유량(sccm)의 87-100%는 질소 기체의 흐름이며;
제2 층을 증착시키는 단계는 기체 혼합물을 유량(sccm)으로 챔버에 도입하는 단계를 포함하고, 기체 혼합물은 질소 기체 및 불활성 기체를 포함하며,
제1 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)의 질소 기체의 백분율은 제2 층을 증착시키는 단계 동안 사용된 유량(sccm)의 질소 기체의 백분율보다 큰 것인, 첨가물 함유 질화알루미늄 필름을 스퍼터 증착시키는 방법.As a method of sputter deposition of an additive-containing aluminum nitride film containing an additive element selected from Sc or Y,
Depositing a first layer of an additive-containing aluminum nitride film on a substrate disposed in the chamber by pulsed DC reactive sputtering; And
Depositing a second layer of an additive-containing aluminum nitride film on the first layer by pulsed DC reactive sputtering, wherein the second layer has the same composition as the first layer.
Including, where,
Depositing the first layer comprises introducing a gas or gas mixture into the chamber at a flow rate (sccm), wherein 87-100% of the flow rate (sccm) is a flow of nitrogen gas;
The step of depositing the second layer comprises introducing a gas mixture into the chamber at a flow rate (sccm), the gas mixture comprising nitrogen gas and an inert gas,
An aluminum nitride film containing additives, wherein the percentage of nitrogen gas of the flow rate (sccm) used during the step of depositing the first layer is greater than the percentage of nitrogen gas of the flow rate (sccm) used during the step of depositing the second layer. Method of sputter deposition.
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